Un team di ingegneri dell'Università dell'Illinois ha scoperto che il modello attualmente utilizzato per prevedere la perdita di calore in un materiale semiconduttore comune non si applica a tutte le situazioni. Testando le proprietà termiche dei semiconduttori di nitruro di gallio fabbricati utilizzando quattro metodi popolari, il team ha scoperto che alcune tecniche producono materiali con prestazioni migliori di altre. Questa nuova comprensione può aiutare i produttori di chip a trovare modi per diffondere meglio il calore che porta a danni ai dispositivi e alla riduzione della durata dei dispositivi.

I chip di silicio vengono spinti al limite per soddisfare le esigenze dei dispositivi elettronici di oggi. nitruro di gallio, un altro materiale semiconduttore, è più adatto per l'uso in applicazioni ad alta tensione e alta corrente come quelle necessarie per i telefoni 5G, dispositivi "Internet delle cose", robotica e veicoli autonomi. I chip di nitruro di gallio sono già in uso, ma non esistono studi sistematici che esaminino le proprietà termiche delle varie forme del materiale, hanno detto i ricercatori. I loro risultati sono pubblicati nel Rivista di fisica applicata .

I trucioli di nitruro di gallio sono prodotti depositando vapore di nitruro di gallio su una superficie dove si cristallizza in un solido, hanno detto i ricercatori.

"La composizione e la struttura atomica della superficie utilizzata per far crescere i cristalli influenza il numero di difetti nel prodotto finale, " ha detto Can Bayram, un professore di ingegneria elettrica e informatica e autore principale dello studio. "Per esempio, i cristalli cresciuti su superfici di silicio producono un semiconduttore con molti difetti, con conseguente minore conduttività termica e punti caldi più caldi, perché le strutture atomiche del silicio e del nitruro di gallio sono molto diverse".

Il team ha testato la conduttività termica del nitruro di gallio coltivato utilizzando le quattro tecniche di fabbricazione più importanti dal punto di vista tecnologico:epitassia in fase vapore di idruro, alta pressione di nitruro, deposizione da vapore su zaffiro e deposizione da vapore su silicio.

Per capire come le diverse tecniche di fabbricazione influenzino le proprietà termiche del nitruro di gallio, il team ha misurato la conduttività termica, densità dei difetti e la concentrazione di impurità di ciascun materiale.

"Utilizzando i nostri nuovi dati, siamo stati in grado di sviluppare un modello che descrive come i difetti influenzano le proprietà termiche dei semiconduttori di nitruro di gallio, " ha detto Bayram. "Questo modello fornisce un mezzo per stimare la conduttività termica dei campioni indirettamente utilizzando i dati dei difetti, che è più facile che misurare direttamente la conducibilità termica."

Il team ha scoperto che il silicio, la più economica di tutte le superfici utilizzate per coltivare il nitruro di gallio, produce cristalli con la più alta densità di difetti tra i quattro metodi di fabbricazione più diffusi. La deposizione su zaffiro rende un cristallo migliore con una maggiore conduttività termica e una minore densità di difetti, ma questo metodo non è altrettanto economico. L'epitassia da vapore di idruro e le tecniche ad alta pressione di nitruro producono prodotti superiori in termini di proprietà termiche e densità dei difetti, ma i processi sono molto costosi, ha detto Bayram.

I chip a base di nitruro di gallio che utilizzano cristalli cresciuti su silicio sono probabilmente adeguati per il mercato dell'elettronica di consumo, dove il costo e l'accessibilità sono fondamentali, Egli ha detto. Però, i dispositivi di livello militare che richiedono una migliore affidabilità trarranno vantaggio dai chip realizzati utilizzando i processi più costosi.

"Stiamo cercando di creare un sistema più efficiente in modo da poter ottenere di più dai nostri dispositivi, forse uno che può durare 50 anni invece di cinque, "Ha detto Bayram. "Capire come si dissipa il calore ci permetterà di riprogettare i sistemi per essere più resistenti agli hotspot. Questo lavoro, eseguita interamente presso l'U. di I., getta le basi nella gestione termica dei dispositivi a semiconduttore a base di nitruro di gallio tecnologicamente importanti."